JP4881730B2 - 音響変換器 - Google Patents

Description

本発明は、音響変換器に関するものであり、流量計で使用されるものを含む。

流体通過音響エネルギーのパルス伝達は、その流体の状態と性質、特にその速度と温度を測定するのに役立つ。圧電セラミック素子は、一般的に、超音波音響パルスや持続波場を発生させる音響変換器で利用される。しかしながら、これらのセラミックは、そのキュリー点の半分を上回る温度にさらされると、分極を失う。商業的に入手可能なセラミックでは、これによりそのセラミックの作動温度が２００℃未満に制限される。この温度を超える流体中で作動するための一つの方法は、図１
に示されるように圧電セラミック素子と流体（ 例えば、排気ガス） の間に緩衝器や遅延線を設けることである。図1は音響変換器１０を表す。変換器１０は、圧電セラミック素子１２と、排気ガスとして説明されている流体中に壁１６を通って伸びる緩衝器１４を含む。緩衝器１４において、熱は圧電セラミック素子１２の方向である上部に向かって伝導するので、緩衝器１４の中の熱エネルギーは、内部対流境界層１８と外部対流境界層２０とで分散させられる。緩衝器は、フーリエの熱伝導の法則の原理によって作動する。
ｑ″＝−κ∇Ｔ
ここで、ｑ″は熱流速、ｋは物質の熱伝導率、Ｔは温度である。この方程式の詳細な解法はいくつかの簡単な仮定を用いる計算方法を必要とし、緩衝器システムは図２に示される等価回路として表せる集中パラメータモデルに変換されうる。図２は集中パラメータモデルにおける排気、緩衝器の先端、結晶、周囲温度、そして、外部対流境界層の熱抵抗、緩衝器、内部対流境界層を説明する。

図２で説明される集中パラメータモデルにおける結晶温度は、

T_crystal=T_exhaust−(T_exhaust-T_ambient)×(R_IBL+R_buffer)／(R_IBL＋R_buffer＋R_EBL)

である。

現行の緩衝器システムに関する不都合な点は、緩衝器を長くすると緩衝器に波面を所望の方向に誘導させる必要があり、短い緩衝器は熱い流体を扱うのに問題があることである。しかしながら、一体緩衝器は、超音波パルスをひずませ、流量計の有効性を制限する分散緩衝器中に生ずる音響パルスを効果的に誘導できない。一体コアやドーピング（例えば、スプレー蒸着や粉末冶金）によって形成される一体被膜を備える緩衝器が提案されている。しかしながら、被膜形成に使われるドーピング技術には、いくらかの不都合がある。

そのほかの背景技術情報は、Ｕ．Ｓ． Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏｓ． ５，７５６，３６０、４，３３６，７１９、５，２１７，０１８、５，１５９，８３８、６，３４３，５１１、５，２４１，２８７、４，７４３，８７０、５，４３８，９９９、４，２９７，６０７、そして、６，３０７，３０２にも記載がある。

以上の理由から、改良された音響変換器が必要である。

本発明の目的は、低熱伝導率物質のコアに同軸スリーブを収縮嵌合することにより音響変換器を供することである。

本発明の実施には、流体の性質を測定するための音響変換器を用いる。前記音響変換器は、音響パルス発生器と緩衝器集合体とを備える。前記緩衝器集合体は、前記パルス発生器と前記流体間に介在する。前記緩衝器集合体は、コアと、被膜を形成するように前記コアに収縮嵌合されるスリーブとで構成される。前記被膜は、前記コアを通過する前記音響パルスの分散を低減する。

前記音響パルス発生器は、超音速パルスを発生するため、圧電セラミック素子であってもよい。好ましくは、前記コア熱伝導率は１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満である。より好ましくは、前記コア熱伝導率は１Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満である。前記コアは溶融シリカであってもよく、好ましくは、溶融シリカとマイカの複合材料である。もちろん、代わりにセラミックや他の物質が前記コアに使われてもよい。軽量な、前記変換器の本体より耐食性の高い低熱伝導率物質の前記コアを作ることにより、金属シール層は必要でなく、前記コアは測定対象である前記流体に直接接触してもよく、あるいは、軽量反射防止表面被膜を備えていてもよい。

前記スリーブは、金属であってもよく、好ましくは、少なくとも１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を持つ。好ましい実施形態においては、前記スリーブがチタンである。前記スリーブが被膜を形成するように前記コアに収縮嵌合されるとともに、前記コアから伝熱されるように、前記コアよりも高熱伝導率を持つ物質からなり前記コアの側面を覆うようにしたものが望ましい。前記被膜は、前記コアを通過する前記音響パルスの分散を低減する。前記被膜を形成する前記コアへのスリーブの収縮嵌合は、スプレー蒸着や粉末冶金のような他の可能な被膜形成技術よりも優れている。収縮嵌合の機械技術を使うと、他の可能な技術に比べて大幅にコスト削減して、適切な被膜されたコアを提供できる。本発明に従って、前記スリーブを前記コアに固定するための好ましい技術は、耐火セメントや高温ガラスフュージングを使うことを含む。前記被膜は、前記コアを通過する音響パルスの分散を低減する媒体を通る縦音速で必要な勾配を供給する。

好ましい実施形態においては、前記音響変換器は、さらに熱管理システムを備える。前記熱管理システムは、前記スリーブからの伝熱のために前記スリーブに取り付けられる。前記熱管理システムは、高熱伝導率を持つ物質からなり、前記パルス発生器での極端な温度上昇を伴わずに相当の熱が前記熱管理システムから周囲へ移るように、前記スリーブに沿って配置されるものである。好ましい熱管理システムは、 前記スリーブからの熱を分散させるための保持器に取り付けられる複数の羽根を含む。前記熱管理システムは、前記パルス発生器での極端な温度上昇を伴わずに相当の熱が前記熱管理システムから周囲へ移るようなものであれば、物質と形状は変更してもよい。

前記スリーブは、好ましくは前記コア物質のバルク音速よりも早いバルク音速を持つ。前記スリーブが前記コア物質のバルク音速未満のバルク音速を持つ物質から作られている場合、前記スリーブはそれに剛性を与えるように設計される。すなわち、音速は重さに対する剛性率に関連し、前記スリーブを通過する前記バルク音速が前記コアを通過するバルク音速未満であっても、前記スリーブに剛性を与えれば、前記コアを通過するよりも早い前記スリーブを通過する音速を供給できる、ということが知られている。前記スリーブは前記被膜の内側（あるいは外側）にリッジかポケットを切削することで硬化されうる。前記被膜における空洞は、空のままか、あるいは、低密度物質で満たされるかもしれない。

作動中に、前記コアの少なくとも一部が、測定対象である前記流体中に伸びる。好ましい実施形態においては、前記スリーブは、分離されたコア部分は被膜されていないような前記コアの先端を前記流体と接触させたままで前記延びたコア部分の側面を前記流体からの熱から分離するように配置される。これは、前記コア側面の一部を前記スリーブによって形成されるエアギャップで分離することによって達せられてもよい。

さらに、本発明を実施するには、内部を流体が流れる管を含む装置と組み合わせた音響変換器が供給される。前記組み合わせは、上に述べた様々な特徴を利用する。前記装置は、排気ガスをサンプルしたりテストしたりする装置であってもよい。

さらに、本発明を実施するには、サンプリングシステムが供給される。前記システムは、流体を受ける流入口と、希釈ガスを受ける希釈口と、前記希釈ガスと前記流体の少なくとも一部とを混合する混合部と、前記混合物のサンプルを集める収集部と、を備える。前記システムは、さらに、前記サンプリングシステムに関連する流れを測定する流量計を備える。前記流量計は、前記流れを測定するための音響変換器を含む。前記変換器は、上に述べた様々な特徴を利用する。一つの変形例として、前記流量計は、流れ測定用の流体が流れる管の中に対向型に配置される一対の音響変換器を含む。

さらに、本発明を実施するには、サンプリングシステムが供給される。前記システムは、主管から流体をサンプリングするためのサンプルラインと、前記主管を通る前記流体の流れを測定する流量計とを備える。前記流量計は、前記流れを測定する音響変換器を含む。前記システムは、さらに、希釈ガスを受ける希釈口と、前記サンプルラインからの前記流体流れと前記希釈ガスとをほぼ一定の割合で混合する混合部と、前記混合物をサンプリングする収集部と、を備える。前記混合物は、前記主管を通る前記流体の前記流れにほぼ比例する割合でサンプルされる。前記変換器は、上に述べた様々な特徴を利用する。一つの変形例として、前記流量計は、前記主管の中に対向型に配置される一対の音響変換器を含む。

本発明の実施がもたらす利益は多数ある。例えば、本発明の好ましい実施形態
は、低熱伝導率物質のコアに同軸金属スリーブを収縮嵌合することにより音響変換器を供する。前記被膜は、前記コアを通過する前記音響パルスの分散を低減する。

本発明の以上の目的とその他の目的、特徴、そして利益は、次に続く好ましい実施形態の詳細な説明を添付の図面を関連づけて見ればまさしく明らかである。

図３は、流体の性質を測定するための音響変換器３０を示す。変換器３０は、圧電セラミック素子３２と、コア３４とスリーブ３５とで構成される緩衝器集合体とを含む。スリーブ３５は、コア３４を通過する前記音響パルスの分散を低減する被膜を形成するようにコア３４に収縮嵌合される。前記緩衝器集合体は、前記流体が流れる管の壁３６を通って伸びる。前記管は前記音響変換器３０が使われる装置の一部である。緩衝器コア３４は軽量低熱伝導率物質から作られ、好ましくは溶融シリカとマイカで構成される。スリーブ３５
は、チタンから作られ、前記コア３４との間に小さなエアギャップがあり、対流熱境界層４０と比べて高い接触抵抗を生じさせる金属シールド３８を形成するように壁３６を通って伸びる。前記金属シールド３８はまた、設置及び作動中に前記緩衝器を保護する。前記緩衝器の先端は、前記流体と直接接触するが、表面被膜を備えうる。羽根４２は、前記コア３４の本体低部から熱を分散させるための前記スリーブ３５に取り付けられる。高温ガラスフュージングは、前記熱管理システムの羽根４２から熱を自由に流れさせるように、最小限の接触抵抗で被膜と密封シールを形成して前記スリーブ３５を前記緩衝器コア３４
に接着する。ハウジング部材４４は、圧電セラミック素子３２を収容し、圧電セラミック素子３２を緩衝器コア３４の最端部に貼付する。前記被膜層のギャップ４６は、熱を分散させ、すなわち、圧電セラミック素子や結晶を熱から守る。電気等価回路を示す図４は、排気、緩衝器の先端、結晶と周囲の温度、そして、緩衝器の先端対流境界層４０、緩衝器集合体と羽根４２の熱抵抗を示す。前記緩衝器集合体抵抗は、コア３４の本体低部からの熱分散をモデルとして、前記羽根４２の前での抵抗の一部と、その羽根４２の後ろでの抵抗の一部が示されている。

スリーブ３５は、コア３４のバルク音速より早いバルク音速を持つ物質で作られる。媒体を通過する音速は重さに対する剛性率に対応するので、図5では、スリーブ５５が、それに剛性を与えるように設計されているスリーブ５５を備えるコア５４のバルク音速未満のバルク音速を持つ物質から作られている場合を示す。図５は、スリーブ５５が前記被膜層の内側に切削されたポケットを持つ例を示す。前記被膜における空洞は、空のままか、あるいは、低密度物質で満たされるかもしれない。

図６は、６０におけるＢＭＤ法サンプリングシステムを示す。サンプリングシステム６０は、排気受入口６２を持つ主管を含む。流量計６４は、前記主管を通る流体の流れを測定し、総排気量が積み上げられる。流量計６４は、直接排気流れ測定信号を発信し、本発明に係る少なくとも一つの音響変換器を含む。実施形態によっては、送風機６６が、流体が前記管を流れるのを助けうる。

サンプルライン６８は、前記主管から排気をサンプリングする。希釈口７０は、希釈ガスを受け入れる。固定流れ制御７２と７４（流量制御器あるいは限界流量ベンチュリー管）は、混合部でおおよそ固定割合を供給するように、それぞれ、希釈ガスとサンプルされた排気ガスの流れを制御する。ポンプ７６は、袋８２に最終的に集めるために前記希釈ガスと排気ガスサンプルの混合物を送り出す。相対流れ装置７８は、前記主管を通る流れに比例する流れをサンプル収集袋８２に供給する。それに従って、バイパス８０は、前記混合物のいくらかの量が前記収集物を側管へ流れさせるように設けられる。

図７は、前記管を横切って対向型に配置される一対の音響変換器３０を表す詳細図における流量計６４を示す。

これまで、本発明の実施形態を説明し述べてきたが、これらの実施形態は本発明のすべての可能な形態を説明し論述しているものではない。むしろ、明細書において使われた用語は、制限を加えるものではなく説明するための用語であって、本発明の趣旨とその範囲を逸脱することなく様々な変更がなされうると解される。

熱緩衝器の先行技術利用を示す。 図1に示された熱緩衝器装置の電気等価回路を示す。 本発明に係る音響変換器を示す。 図３に示された音響変換器装置の電気等価回路を示す。 本発明に係る別形態の音響変換器を示す。 本発明に係るＢＭＤ法サンプリングシステムを示す。 図６のシステムにおける流量計を示す。

Claims (27)

1. 管を流れる流体の性質を測定するための音響変換器であって、
   音響パルス発生器と、
   前記パルス発生器及び前記流体間に介在し、コア及び前記コアを通過する前記音響パルスの分散を低減する被膜を形成するように前記コアに収縮嵌合されるとともに、前記コアから伝熱されるように、前記コアよりも高熱伝導率を持つ物質からなり前記コアの側面を流体側から反流体側まで略全て覆うスリーブで構成された緩衝器集合体と、を備え、前記スリーブにおける前記管の壁よりも反流体側に複数の羽根を取り付けた音響変換器。
2. 前記スリーブの熱伝導率が少なくとも１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である請求項１記載の音響変換器。
3. 前記スリーブがチタンである請求項１記載の音響変換器。
4. 前記コアの熱伝導率が１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満である請求項１記載の音響変換器。
5. 前記コアの熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満である請求項１記載の音響変換器。
6. 前記コアが溶融シリカである請求項１記載の音響変換器。
7. 前記コアが溶融シリカとマイカの複合材料である請求項６記載の音響変換器。
8. 前記スリーブが高温ガラスフュージングで前記コアに固定されている請求項１記載の音響変換器。
9. 前記スリーブとコアの高温ガラスフュージングが密閉シールを形成する請求項１記載の音響変換器。
10. 前記スリーブが耐火セメントで前記コアに固定されている請求項１記載の音響変換器。
11. 前記スリーブが金属である請求項１記載の音響変換器。
12. 前記スリーブからの伝熱のために前記スリーブに取り付けられる熱管理システムをさらに備えており、前記熱管理システムは高熱伝導率を持つ物質からなり、前記パルス発生器での極端な温度上昇を伴わずに相当の熱が前記熱管理システムから周囲へ移るように、前記スリーブに沿って配置されるものである、請求項１記載の音響変換器。
13. 前記熱管理システムが前記複数の羽根を含む請求項１２記載の音響変換器。
14. 前記スリーブが前記コア物質のバルク音速よりも早いバルク音速を持つ物質から作られる請求項１記載の音響変換器。
15. 前記スリーブが前記コア物質のバルク音速未満のバルク音速を持つ物質から作られており、前記スリーブがそれに剛性を与えるように設計される、請求項１記載の音響変換器。
16. 作動中に前記コアの少なくとも一部が、測定対象である前記流体中に伸び、前記スリーブが、前記流体と前記コアの先端を接触させたままで前記伸びたコア部分の側面を前記流体からの熱から分離するように配置されるとともに、前記スリーブと、流体中に伸びたコアの側面との間に、エアギャップを形成した請求項１記載の音響変換器。
17. 内部を流体が流れる管を含む装置と組み合わせた改良装置であって、
    音響パルス発生器と、前記パルス発生器及び前記流体間に介在し、低熱伝導率物質で形成されるコア及び前記コアを通過する前記音響パルスの分散を低減する被膜を形成するように前記コアに収縮嵌合されるとともに、前記コアから伝熱されるように、前記コアよりも高熱伝導率を持つ物質からなり前記コアの側面を流体側から反流体側まで略全て覆うスリーブで構成された緩衝器集合体と、を含む流体の性質を測定するための音響変換器を備え、前記スリーブにおける前記管の壁よりも反流体側に複数の羽根を取り付けた改良装置。
18. 前記スリーブが高温ガラスフュージングで前記コアに固定されている請求項１７記載の組み合わせ。
19. 前記スリーブが耐火セメントで前記コアに固定されている請求項１７記載の組み合わせ。
20. 前記スリーブが金属である請求項１７記載の組み合わせ。
21. 前記スリーブからの伝熱のために前記スリーブに取り付けられる熱管理システムをさらに備えており、前記熱管理システムは高熱伝導率を持つ物質からなり、前記パルス発生器での極端な温度上昇を伴わずに相当の熱が前記熱管理システムから周囲へ移るように、前記スリーブに沿って配置されるものである、請求項１７記載の組み合わせ。
22. 前記熱管理システムが前記複数の羽根を含む請求項２１記載の組み合わせ。
23. 作動中に前記コアの少なくとも一部が、測定対象である前記流体中に伸び、前記スリーブが、前記流体と前記コアの先端を接触させたままで前記伸びたコア部分の側面を前記流体からの熱から分離するように配置されるとともに、前記スリーブと、前記コア側面の一部との間に、エアギャップを形成した請求項１７記載の組み合わせ。
24. 流体を受ける流入口と、
    希釈ガスを受ける希釈口と、
    前記希釈ガスと、前記流体の少なくとも一部とを混合する混合部と、
    前記混合物のサンプルを集める収集部と、
    サンプリングシステムに関連する、管を流れる流体の流れを測定する流量計と、を備えており、
    前記流量計は、音響パルス発生器と、前記パルス発生器及び前記流体間に介在し、低熱伝導率物質で形成されたコア及び前記コアを通過する前記音響パルスの分散を低減する被膜を形成するように前記コアに収縮嵌合されるとともに、前記コアから伝熱されるように、前記コアよりも高熱伝導率を持つ物質からなり前記コアの側面を流体側から反流体側まで略全て覆うスリーブで構成された緩衝器集合体とを含み、前記スリーブにおける前記管の壁よりも反流体側に複数の羽根を取り付けた、前記流れを測定するための音響変換器を含むものである、サンプリングシステム。
25. 前記流量計が流れ測定用の流体が内部を流れる管の中に対向型に配置される一対の音響変換器を含む請求項２４記載のサンプリングシステム。
26. 主管から流体をサンプリングするためのサンプルラインと、
    音響パルス発生器と、前記パルス発生器及び前記流体間に介在し、低熱伝導率物質で形成されたコア及び前記コアを通過する前記音響パルスの分散を低減する被膜を形成するように前記コアに収縮嵌合されるとともに、前記コアから伝熱されるように、前記コアよりも高熱伝導率を持つ物質からなり前記コアの側面を流体側から反流体側まで略全て覆うスリーブで構成される緩衝器集合体とを含み、前記スリーブにおける前記主管の壁よりも反流体側に複数の羽根を取り付けた、前記流れを測定するための音響変換器を含む前記主管を通る前記流体流れを測定する流量計と、
    希釈ガスを受ける希釈口と、
    前記サンプルラインからの前記流体流れと前記希釈ガスとをほぼ一定の割合で混合する混合部と、
    前記主管を通る前記流体の前記流れにほぼ比例する割合でサンプルされる前記混合物をサンプリングする収集部と、を備えるサンプリングシステム。
27. 前記流量計が前記主管の中に対向型に配置される一対の音響変換器を含む請求項２６記載のサンプリングシステム。